LY12铝合金微观组织在交变磁场作用下组织变化研究_陈革新

L 12铝合金微观组织在交变磁场作用下组织变化研究

陈革新 肖 宏 陈 雷

（燕山大学 机械工程学院 河北 秦皇岛 066004）

摘 要： 通过对LY12铝合金试件在交变磁场作用前后的微观组织变化研究，分析磁处理前后微观组织组成成份变化，进而得出交变磁场导致LY2铝合金组织细化的组织因素及作用机理，发现磁处理技术对铝合金的塑性有所提高，强度变化不大。

关键词： 铝合金；磁处理；组织细化；交变磁场

中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0520073－02

LY12铝合金是非常重要的硬铝合金材料，广泛应用于许多工程领域，目前磁处理的方法主要用于影响金属凝固过程的相变，在改善钢材的残余应力从而改善金属材料性能方面也有涉及，但对于改善固态铝合金材料组织性能方面却研究较少。本文通过对通过强交变磁场处理后的LY12铝合金微观组织进行分析，利用透镜照片从析出相等方面对铝合金的性能变化进行了讨论和研究。

1 强交变磁处理试验

1.1 试验样品制备

试验材料LY12铝合金，其主要化学成分（质量分数，%）为0.5Si 、0.5Fe 、4.6Cu 、0.6Mn 、1.4Mg 、0.3Zn 、0.15Ti 、0.1Hi 、余量Al 。试样尺寸如图1所示，试样经350℃加热，然后随炉缓慢冷却，完全消除残余应力。

图2 Al-Cu-Mg 合金三元相图的等温部分[2]

Fig.2

Isothermal section of temary Al-Cu-Mg phase diagram[2]

在本实验中，预拉伸前对材料进行了加热并保温，随着温度升高，会有部分溶质原子（Cu 原子、Mg 原子等）溶入基体相固溶体中，使基体中出现大量空位，虽然进行了一定时间的保温，但并不足以使沉淀相完全溶解，尽管如此，基体相的化学成分仍会发生改变而形成具有大量空位的过饱和固溶体。这样，预拉伸前的原始材料中仍含有一定量的第二相，从而使其随后的高温拉伸变形时力学行为受到第二相与位错相互作用的影响。基体在高温拉伸变形过程中会产生大量的位错，同时基体内会有一些新相伴随着变形过程析出，并且与位错相互作用。经历高温变形后，在降温过图1 试件图程中，逐渐冷却下来的过饱和固溶体，由于溶质原子溶解度的变化，也同Fig1 Test pieces

样会有一些新的析出相产生。

1.2 热塑性变形

利用透射电镜，对LY12合金中沉淀相的典型形貌进行了观察，如图将去除残余应力的试件在WDW3100微机控制电子万能试验机上进行热3所示。从图中可以看到，在基体上存有较细长的“针状”和相对短粗的拉伸塑性变形，该试验机是配备全数字测量控制及自动处理系统的新型试“棒状”析出相，其中针状析出相的分布表现出一定的规律性，析出相见验机。将6个LY12试件分为二组，每组3个试件。退火处理的铝合金LY12最大多呈60°角度。为进一步确定析出相的类型，对其进行了电子衍射分大热变形量可达15％，但由于试件尺寸小，为防止拉裂，各组试件拉伸时析，并对衍射花样进行了标定，如图4所示。

采用相同的速度为0.1mm/min 。拉伸实验中利用万能试验机平头卡头装卡，严格控制变形量为10％，以确保发生塑性变形。为进行实验效果的对比分析，6个试件要求保证相同的变形量和变形温度。

1.3 交变磁处理

实验中设定加热温度为500℃，热塑性成形温度定为400℃～450℃间，主要是考虑到试件在装卡过程中热量会散失，预留一定的热成形温度区间。将进行热塑性变形后的第一组3个试件直接放置于室温环境下进行空冷，保证空冷与磁处理时间相同，均为60分钟，然后通过组织切片，进行金相显微分析；第二组试件在热塑性成形到规定变形量后，通过自制的卡具放置于强交变磁场中进行磁处理。

2 微观组织分析

2.1 金相组织分析

本实验材料LY12属于Al-Cu-Mg 系时效强化合金，自然时效淬火态的LY12主要有强化相CuAl 2（又称相）、Mg 2Al 3（相）、CuMgAl 2（S 相） 图3 LY12铝合金中沉淀相的典型形貌

[1]。图2为Al-Cu-Mg 合金三元相图的等温部分，从该图可知本实验合金Fig.3 Typical TEM morphologies of precipitations in LY12

（图中A 点所示）的平衡组织为固溶体+相CuAl 2+S 相CuMgAl 2

。

Y

（a ） S phase （b ） θ phase

图4 沉淀相衍射花样

Fig.4 Diffraction pattern of typical precipitations

经标定（图4a ）针状析出物为正交晶格类型，经计算，晶格常数分别约为：a ≈0.398nm ，b ≈0.927nm ，c ≈0.717nm 。通过对比发现，该种析出相的结构及晶格常数与Al 2CuMg （S 相）十分接近，参考图2给出的相图可推断出该种针状的析出物为S

Al 大[3]，与Al 而“棒状”析出相为四方晶格类型（图4b ），经计算，其晶格常数约为：a ≈0.5994nm ，b ≈0.4813nm ，与CuAl 2（ 相）十分接近，结合相图可推断出该种析出相为 相，其典型的惯析面为{100}Al [4]，与Al 基体的关系为：在固态金属中，原子失去价电子成为离子，没有磁场作用，仅在温度场作用下这些离子的热运动速度 是随机的、任意的。有磁场 存在时，速度 分解为垂直于磁场的分量 和平行于磁场的分量 。以速度 运动的带电荷为 的离子与 相作用，产生洛仑兹力

（1）

带电荷为 的粒子在磁场作用下绕磁力线运动，由于各粒子质量和带电量不同，导致它们的回转半径不同，因此，磁场作用使得各粒子对基体产生了相对运动，这种运动使得粒子在铝基体中的扩散增强了。由3+3+++于Al 的质量小于Cu 的质量，而Al 的带电量大于Cu 的带电量，所以由3++式（1）可知，Al 的回旋半径小于Cu 的回旋半径，因此，强交变磁场作3++用使得Cu 对Al 产生了相对运动，这种运动使Cu 在铝中的扩散增强了，这有利于增加Cu 元素在晶内的含量，从而减少其在晶界的富集，亦即减少了富Cu 的 相形成溶质的晶界东都，进而使得 相在晶界形成的几率大大降低。

由于合金经过在高温长时保温，基体中存在大量的自由空位，而Cu 原子与空位的结合能很高（0.12eV ），因此，Cu 原子的空位扩散机制在该合金析出相的形成起到重要的作用。通常自由空位会出现以下几种情况[6]：

1）空位被Mg 原子或其他原子所束缚，形成Mg 原子与其他原子簇与空位的聚合体，为相形核的核心；

2）自由空位湮没在晶界等缺陷处；

3）空位聚集成空位团，崩塌形成位错环作为新相形核的核心；4）自由空位与Cu 原子相互作用而促进Cu 原子的扩散。

从上述几种情况中，大部分的自由空位最有可能和Cu 原子相结合，这是因为合金中Cu 的摩尔分数比其它合金元素的要高（见合金成分），自由空位除用于形成Mg 原子或其他原子与空位的聚合体的需要外，剩余的空位[010]Al // [001] 。

基本上与Cu 原子相结合，即形成了Cu 原子——空位复合体，根据溶质原子2.2 作用机理分析

发生非平衡偏聚的能量条件[7]，该Cu 原子——空位复合体则会向晶界偏图5为两组试样经室温拉伸后的组织形貌，从该图可见，未施加强交聚，引起晶界状态的改变，增加晶界滑移的阻力，降低相互间的协调能变磁场的试样晶界处存有明显的裂纹而且在晶界上存有明显的析出物（如力，不利于塑性的改善。但当施加强交变磁场后，促进了位错的运动，由图5a ），经衍射花样标定分析得出该种晶界析出物为 相（如图5c ）；而于位错是空位最有效的吸收源，位错运动的促进则增加了位错与空位的接施加强交变磁场的试样的晶界上既没有明显的析出物也没有明显的沿晶裂触几率，从而是更多的自由空位被吸收，数目减少，自由空位的减少不但纹（如图5b ）。沉淀相在晶界析出，促使晶界滑移，容易在三重点产生应可使Cu 原子——空位复合体的数目减少，缓解偏聚在晶界复合体对协调晶力集中，造成晶界破坏。而当晶界无析出物时，晶界在滑移过程中，滑移界滑移的阻力，而且，位错由于磁场的存在而更均匀地分布，也将使得以带对晶界冲击，产生晶界阶梯，成为微孔的形核位置，此时晶界破坏需要其为核心生成的沉淀相分布均匀，使得位错在室温拉伸变形过程中沿滑移的应力较大。当晶界出现析出物时，滑移带冲击这些微粒，使每个粒子周面移动的阻力减弱，特别是当位错滑移到晶界时，均匀分布的第二相粒子围产生局部应力集中，此时需要较小的应力就会在粒子周围产生孔洞，孔可有效协调晶界滑动产生的变形[8]，也有助于塑性的提高。

洞通过变形机理或空位扩散机理聚合长大，形成晶界裂纹，使钢的塑性变 3 结论

差[5]。由此可见，强交变磁场可通过抑制沿晶的相析出而避免了塑性变通过对材料通磁前后的组织分析，结果表明，强交变磁处理是一种有形过程中在晶界析出物时产生应力集中，使晶界滑移得到协调，从而增加效的非热处理型处理方法，强交变磁处理使热塑性变形后金属微观组织产了合金的塑性。

生形变，细化了金属微观组织，使其塑性提高。

此文章内容属于国家自然基金支持项目，项目编号：51075351。

参考文献：

[1]吴艳青，LY12合金率相关变形的微观机制分析，稀有金属材料与工程，2007，36（12）：2109-2113.

[2]S.C. Wang ，M.J.Starink.Review of precipitation in Al-Cu-Mg （-Li ）alloys ，Int Mater Rev.2005，50：193-215.

[3]Y. A. Bagaryatshy ： Dokl. Akad. S.S.S.R.，1952，87：397-401：（a ） without alternating magnetic field

559-562.

（b ） with and without alternating magnetic field

[4]B. C. Muddle ，I. J.Polmear ：Acta Metall. Mater.1989，37：777-（c ） diffraction pattern for precipitations on the GB in 789.

fig.6a

[5]B.Mintz ，S.Yue ，J.J.Jonas. Hot ductility of steels and its 图5 室温拉伸后LY12铝合金中主要沉淀相的分布及形态

relationship to the problem of transverse cracking during continuous Fig.5 Microstructure of LY12 after tension at room casting ，Int. Mate. Rev.，1991，36（5）：190-198.

temperature

（下转第89页）